JP2000149853A

JP2000149853A - 観察装置およびその調整方法

Info

Publication number: JP2000149853A
Application number: JP10315750A
Authority: JP
Inventors: Koichi Fujie; 耕一藤江; Muneki Hamashima; 宗樹浜島
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-11-06
Filing date: 1998-11-06
Publication date: 2000-05-30
Anticipated expiration: 2018-11-06
Also published as: JP4277334B2

Abstract

(57)【要約】【課題】レンズ系を介して試料を撮像する観察装置に
関し、レンズ系の歪曲収差を除去し、鮮明な画像を取得
することができる観察装置を提供する。【解決手段】試料が載置され、移動可能なステージ２
７と、試料にビームを照射し、二次ビームを検出して画
像を生成する検出手段３６と、ステージと検出手段との
間に配置され、二次ビームを検出手段の検出面に結像さ
せる写像光学系２９、３２〜３５と、アレイ撮像手段
（ＴＤＩＣＣＤセンサ）と、写像光学系を介して、予め
用意されたパターンを撮像する二次元撮像手段と、二次
元撮像手段により撮像されたパターンの像を用いて、写
像光学系の像の歪み量を算出する歪み量算出手段３９
と、像の歪み量に基づいて、アレイ撮像手段の積算段数
を設定する設定手段３９、４３とを備えて構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レンズ系を介して
試料を撮像する観察装置に関し、レンズ系の歪曲収差に
よる像の歪みを除去し、かつ鮮明な画像を取得すること
ができる観察装置およびその調整方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のＬＳＩの高集積化に伴い、ウェー
ハ、マスクなどの欠陥箇所を検出する際に要求される検
出感度は、より一層高度なものが望まれている。例え
ば、ＤＲＡＭのパターン寸法０.２５μｍウェーハパタ
ーンに対して欠陥検出を行う場合には、０.１μｍの検
出感度が必要とされている。そこで、従来の光より最小
分解能の高い電子ビームを利用した試料表面の観察・検
査装置が提案されている。

【０００３】例えば、特開平４−２４２０６０号公報に
は、電子ビームを試料面上に照射し、その照射領域から
発生する反射電子の像を検出面に投影して試料画像を取
得する電子顕微鏡が開示されている。図１３を参照して
この電子顕微鏡を説明する。図１３において、電子銃８
１から照射される電子ビームは、照射レンズ系８２を通
過して、ウィーンフィルタ８３の中心部に入射する。詳
細は後述するが、このとき電子ビームは、ウィーンフィ
ルタ８３によって軌道が曲げられ、ステージ８４上の試
料８５に垂直に入射する。

【０００４】試料８５に電子ビームが照射されると、そ
の照射領域からは、反射電子が発生する。二次ビーム
は、ウィーンフィルタ８３の偏向作用を受けずにそのま
ま直進し、結像レンズ系８６によって蛍光板８７で結像
する。蛍光板８７では、反射電子像が光学像に変換さ
れ、この像をＣＣＤセンサ等で撮像して観察する。この
ような電子顕微鏡では、電子ビームの照射領域を検出面
に投影することで、その領域の像を一括して取得するこ
とができる。

【０００５】ところで、ＣＣＤセンサの一種にＴＤＩ
（Time Delay Integration：時間遅延積分型）ＣＣＤセ
ンサがあることは公知である。このＴＤＩＣＣＤセンサ
は、撮像面に投影される試料像をステージの移動に伴っ
てシフトする際に、それに同期して、蓄積される信号電
荷をシフトさせ、積算しながら撮像するイメージセンサ
である。

【０００６】このＴＤＩＣＣＤセンサを利用した撮像動
作について、図１４を参照して説明する。図（１）に示
すように、電子ビームは、今、試料の所定箇所に照射さ
れている。このとき、図（２）に示すように、電子ビー
ムの照射領域の像は、ＴＤＩＣＣＤセンサの水平走査ラ
インＡにおいて撮像され、このラインに信号電荷が蓄積
される。

【０００７】次に、所定のタイミングで、図（３）に示
すように、ステージおよび試料が、Ｙ方向に一水平走査
ライン分だけ移動する。このとき、図（４）に示すよう
に、ラインＡとラインＢとによって試料が撮像されるの
だが、ステージの移動と同時に、ラインＡに蓄積される
信号電荷がラインＢに転送される。したがって、ライン
Ｂには、前回時に得た信号電荷と今回の撮像時に得た信
号電荷が加算されて累積される。

【０００８】さらに、所定のタイミングで、図（５）に
示すように、ステージおよび試料が、Ｙ方向に一水平走
査ライン分だけ移動する。このとき、図（６）に示すよ
うに、ラインＡ、ラインＢ、ラインＣとによって試料が
撮像されるのだが、ステージの移動と同時に、ラインＢ
の信号電荷がラインＣに、ラインＡの信号電荷がライン
Ｂに転送される。したがって、ラインＣには、前々回、
前回、今回の撮像時に得た信号電荷が加算されて蓄積さ
れ、ラインＢには、前回、今回の撮像時に得た信号電荷
が加算されて蓄積される。

【０００９】以上の動作を続けることで、水平走査ライ
ンの本数分だけ試料の同一箇所の信号電荷が、順次加算
されて積算されることになる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、光学レン
ズ、電子レンズを問わず、レンズ系一般には、光軸に垂
直な平面物体の像が、光軸に垂直な像面内で相似になら
ないという歪曲収差が存在する。

【００１１】歪曲収差の収差量は、画面の中心から測っ
て動径の３乗に比例し、比例係数が正のときには、中心
から離れるほど外側に引かれ、図１５（ａ）に示すよう
に、正方形の像が、糸巻き型の像になる。また、比例係
数が負のときには、中心から離れるほど内側に引き込ま
れ、図１５（ｂ）に示すように、正方形の像が、たる型
の像になる。

【００１２】図１３に示す電子顕微鏡において、結像レ
ンズ系８６の歪曲収差が存在する状態で、ＴＤＩＣＣＤ
センサを用いて撮像した場合を図１６を参照して説明す
る。電子ビームは、図（１）に示すように、今、試料の
所定箇所に照射されている。このとき、図（２）に示す
ように、電子ビームの照射領域の像は、ＴＤＩＣＣＤセ
ンサの水平走査ラインＡに投影されるが、ラインＡは中
心から最も離れているため、この像の歪み量は最大にな
る。

【００１３】次に、図（３）に示すように、ステージお
よび試料が、Ｙ方向に一水平走査ライン分だけ移動する
と、図（４）に示すように、ラインＡとラインＢとに照
射領域の像が投影され、それと同時にラインＡの信号電
荷が、ラインＢに転送される。しかし、ラインＡとライ
ンＢとに投影される像は、試料の同じ箇所の像であって
も歪み量が異なるため（ラインＢの方が歪み量が小さ
い）、このまま信号電荷を加算すると像がぼけてしま
う。

【００１４】図（５）に示すようにさらにステージが移
動すると、図（６）に示すようにラインＡ、ラインＢ、
ラインＣに像が投影される。しかし、ラインＡ、ライン
Ｂ、ラインＣでは、ライン各々で像の歪み量が異なるた
め、このまま信号電荷を加算すると、さらに像の鮮鋭度
が低下してしまう。このように歪曲収差がある状態で、
ＴＤＩＣＣＤセンサを用いて撮像すると、各ライン毎で
歪み量が異なって投影されるため、信号電荷を積算する
と、像がぼけ、試料画像の鮮鋭度が極端に低下するとい
う問題点があった。

【００１５】そこで、請求項１に記載の発明は、上述の
問題点を解決するために、アレイ撮像部（具体的にはＴ
ＤＩＣＣＤセンサ）で撮像する際に、鮮明な画像を観察
することができる観察装置を提供することを目的とす
る。また、請求項２に記載の発明は、歪みのない、均質
な画像を観察できる観察装置を提供することを目的とす
る。

【００１６】また、請求項３に記載の発明は、簡易な構
成で鮮明な画像を観察することができる観察装置を提供
することを目的とする。また、請求項４に記載の発明
は、いわゆるＴＤＩＣＣＤセンサを用いて撮像する観察
装置が、鮮明な試料画像を得ることができる調整方法を
提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、試料が載置され、移動可能なステージと、前記試料
にビームを照射し、該試料の照射領域から発生する二次
ビームを検出して前記照射領域の画像を生成する検出手
段と、前記ステージと前記検出手段との間に配置され、
前記二次ビームを前記検出手段の検出面に結像させる写
像光学系と、前記検出面に、複数ライン状に二次元配列
された画素を有し、前記検出面に形成された光学像の受
光によって生じる各ラインの画素の電荷を、前記光学像
の移動のタイミングに合わせて、順次隣接するラインの
対応画素へそれぞれ転送し、転送毎に、該電荷と該電荷
が転送された画素から生じる電荷とを加算し、終端に相
当するラインまでの所定のライン数積算した電荷を、順
次出力するアレイ撮像手段と、前記写像光学系を介し
て、予め用意されたパターンを撮像する二次元撮像手段
と、前記二次元撮像手段により撮像された前記パターン
の像を用いて、前記写像光学系の像の歪み量を算出する
歪み量算出手段と、前記像の歪み量に基づいて、前記所
定のライン数を設定する設定手段とを備えて構成され
る。

【００１８】このような構成においては、まず、二次元
撮像手段によって予め用意されたパターンを、写像光学
系を介して撮像する。次に、このパターンの撮像結果か
ら写像光学系の歪曲収差による像の歪み量を算出する。
そして、この歪み量に基づいて、アレイ撮像手段（具体
的には、ＴＤＩＣＣＤセンサ）の撮像に使用する領域、
すなわち、積算可能なライン数を設定する。

【００１９】例えば、像の歪み量が大きい場合には、積
算可能なライン数は小さくなり、像の歪み量が小さい場
合には、積算可能なライン数は大きくなる。請求項２に
記載の発明は、請求項１に記載の観察装置において、前
記アレイ撮像手段から取り出される前記試料の画像につ
いて、前記歪み量算出手段により算出された歪み量に基
づいて、前記ラインの長手方向の歪みを補正する補正手
段を備えて構成される。

【００２０】このような構成においては、ライン長手方
向（水平方向）に歪曲収差による像の歪みが存在して
も、これを補正することができる。請求項３に記載の発
明は、請求項１または請求項２に記載の観察装置におい
て、前記試料に対して、前記アレイ撮像手段と前記二次
元撮像手段との撮像面が共役な位置に配置されることを
特徴とする。

【００２１】このような構成では、例えば、１つの焦点
調節部でアレイ撮像手段と二次元撮像手段との２つの撮
像面に焦点を合わせることができ、アレイ撮像手段用の
焦点調節部と、二次元撮像手段用の焦点調節部とを別個
に設ける必要がない。請求項４に記載の発明は、移動可
能なステージ上に載置される試料を観察する観察装置の
調整方法において、写像光学系を介して、予め用意され
たパターンを二次元撮像手段により撮像する工程と、前
記二次元撮像手段により撮像された前記パターンの像に
基づいて、前記写像光学系の像の歪み量を算出する工程
と、複数ライン状に二次元配列された画素を有するアレ
イ撮像手段の撮像面上の撮像領域を、前記像の歪み量に
基づいて設定し、前記写像光学系を介して、前記撮像領
域内に投影される前記試料の光学像を受光する際に、各
ラインの画素から生じる電荷を、前記光学像の移動のタ
イミングに合わせて、順次隣接するラインの対応画素へ
それぞれ転送し、転送毎に、該電荷と該電荷が転送され
た画素から生じる電荷とを加算し、前記撮像領域内の終
端に相当するラインまでの所定のライン数積算した電荷
を、順次出力する工程とを有することを特徴とする。

【００２２】このような調整方法では、写像光学系を介
して、二次元撮像手段によって撮像されたパターンの像
に基づいて、写像光学系の歪曲収差による像の歪み量を
算出し、その歪み量からアレイ撮像手段の撮像面上の撮
像領域（積算可能なライン数）を設定する。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
形態を説明する。

【００２４】図１は、本実施形態の全体構成図である。
なお、本実施形態は、請求項１〜４に記載の発明に対応
する。以下、本実施形態の構成について図面を参照して
説明する。図１において、観察装置は、一次コラム２
１、二次コラム２２およびチャンバー２３を有してい
る。一次コラム２１は、二次コラム２２の側面に斜めに
取り付けられており、二次コラム２２の下部に、チャン
バー２３が配置される。

【００２５】一次コラム２１の内部には、電子銃２４が
配置され、電子銃２４から照射される電子ビーム（一次
ビーム）の光軸上に一次光学系２５および偏向器２６が
配置される。一方、チャンバー２３の内部には、ステー
ジ２７が設置され、ステージ２７上には試料２８が載置
される。

【００２６】また、二次コラム２２の内部には、試料２
８から発生する二次ビームの光軸上に、カソードレンズ
２９、ニューメニカルアパーチャ３０、ウィーンフィル
タ３１、第２レンズ３２、フィールドアパーチャ３３、
第３レンズ３４、第４レンズ３５、偏向器３６ａおよび
検出器３６が配置される。なお、カソードレンズ２９、
第２レンズ３２〜第４レンズ３５は、二次光学系を構成
している。

【００２７】検出器３６は、画像処理ユニット３７と接
続され、画像処理ユニット３７は、ＣＲＴ３８およびＣ
ＰＵ３９と接続される。ＣＰＵ３９は、一次コラム制御
ユニット４０、二次コラム制御ユニット４１、ステージ
駆動機構４２、ＣＣＤ走査回路４３、レーザ干渉計ユニ
ット４４と接続される。

【００２８】一次コラム制御ユニット４０は、一次光学
系２５のレンズ電圧および偏向器２６に供給する電流
（電圧）を制御し、二次コラム制御ユニット４１は、カ
ソードレンズ２９および第２レンズ３２〜第４レンズ３
５の各レンズ電圧と、ウィーンフィルタ３１に印加する
電磁界制御と、偏向器３６ａに供給する電流（または電
圧）の制御とを行い、ステージ駆動機構４２は、ステー
ジ２７をＸＹ方向に駆動制御し、ＣＣＤ走査回路４３
は、検出器３６内部のＣＣＤセンサの読み出し制御を行
う。

【００２９】一方、チャンバー２３の外側には、ステー
ジ２７の位置を読み取るレーザ干渉計ユニット４４が設
置され、レーザ干渉計ユニット４４は、ステージ位置情
報をＣＰＵ３９に伝達する。また、ＣＰＵ３９は、ＶＲ
ＡＭ４５と双方向に接続されている。一次コラム２１、
二次コラム２２、チャンバー２３は、真空排気系（不図
示）と繋がっており、真空排気系のターボポンプにより
排気されて、内部は真空状態を維持している。

【００３０】図２は、検出器３６の構成を示す図であ
る。図２おいて、二次ビームのビーム軸上に、ＭＣＰ
（マイクロチャネルプレート）５０と、蛍光板５１と、
ビューポート５２と、リレーレンズ５３とが配置され
る。リレーレンズ５３の後段には、二次元ＣＣＤセンサ
５４とＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５とからなる撮像部
が配置される。二次元ＣＣＤセンサ５４とＴＤＩアレイ
ＣＣＤセンサ５５との撮像面は、試料２８に対して共役
な位置にある。

【００３１】撮像部は、不図示の駆動部により左右に駆
動されるため、二次元ＣＣＤセンサ５４とＴＤＩアレイ
ＣＣＤセンサ５５との何れか一方が、リレーレンズ５３
の光軸上に配置される。二次元ＣＣＤセンサ５４とＴＤ
ＩアレイＣＣＤセンサ５５との出力は、画像処理ユニッ
ト３７に入力される。

【００３２】なお、請求項１に記載の発明と本実施形態
との対応関係については、ステージはステージ２７に対
応し、検出手段は検出器３６に対応し、写像光学系は、
カソードレンズ２９、第２レンズ３２〜第４レンズ３５
に対応し、アレイ撮像手段は、ＴＤＩアレイＣＣＤセン
サ５５に対応し、二次元撮像手段は、二次元ＣＣＤセン
サ５４に対応し、歪み量算出手段は、ＣＰＵ３９に対応
し、設定手段は、ＣＰＵ３９およびＣＣＤ走査回路４３
に対応する。

【００３３】また、請求項２に記載の発明と本実施形態
との対応関係については、補正手段は、画像処理ユニッ
ト３７に対応する。次に、本実施形態の観察装置におけ
る試料画像の取得動作について説明する。図３に示すよ
うに、電子銃２４から出射する一次ビームは、電子銃２
４の加速電圧よって加速され、一次光学系２５のレンズ
作用および偏向器２６の偏向作用を受けながらウィーン
フィルタ３１の中心に入射する。

【００３４】電子銃２４の陰極は、ここでは矩形陰極で
大電流を取り出すことができるランタンヘキサボライト
（ＬａＢ₆）を用いる。また、一次光学系２５は、回転
軸非対称の四重極（または八重極）の静電レンズ（また
は電磁レンズ）を使用する。このレンズは、いわゆるシ
リンドリカルレンズと同様に、矩形陰極の長軸（Ｘ
軸）、短軸（Ｙ軸）各々で集束と発散とを引き起こすこ
とができる。図３では、矩形陰極のＸ方向断面に放出さ
れた電子の軌道とＹ方向断面に放出された電子の軌道と
を示している。

【００３５】具体的なレンズ構成は、図４に示すよう
に、静電レンズを用いた場合、４つの円柱ロッドを使用
する。対向する電極同士を等電位に設定し、互いに逆の
電圧特性（ａとｂに＋Ｖｑ、ｃとｄに−Ｖｑ）を与え
る。このレンズを３段（図３の２５ａ、２５ｂ、２５
ｃ）で構成し、各レンズ条件を最適化することによっ
て、照射電子を損失することなく、試料面上のビーム照
射領域を、任意の矩形状、または楕円形状に成形するこ
とができる。

【００３６】一次光学系２５により矩形状に成形された
一次ビームは、ウィーンフィルタ３１の中心箇所に入射
するように偏向器２６によって偏向される。ウィーンフ
ィルタ３１に入射した一次ビームは、ウィーンフィルタ
３１の偏向作用により軌道が曲げられ、ニューメニカル
アパーチャ３０の開口部で結像する。ウィーンフィルタ
３１は、磁界と電界とを直交させ、電界をＥ、磁界を
Ｂ、荷電粒子の速度をｖとした場合、Ｅ＝ｖＢのウィー
ン条件を満たす荷電粒子のみを直進させ、それ以外の荷
電粒子の軌道を曲げる偏向装置である。

【００３７】また、ニューメニカルアパーチャ３０は、
開口絞りに相当するものでカソードレンズ２９の開口角
を決定する。その形状は、円形の穴が開いた金属製（Ｍ
ｏ等）の薄膜板であり、装置内に散乱する余計な電子ビ
ームが試料面に到達することを阻止し、試料２８のチャ
ージアップやコンタミネーションを防いでいる。ニュー
メニカルアパーチャ３０の開口部で結像した一次ビーム
は、カソードレンズ２９を介して、試料２８面上に垂直
に照射される。試料面上に一次ビームが照射されると、
そのビーム照射領域からは、二次電子または反射電子の
少なくとも一方を含む二次ビームが発生する。

【００３８】この二次ビームは、ビーム照射領域の二次
元画像情報を有していることになるが、特に、一次ビー
ムが試料２８に垂直に照射されるので、二次ビームは影
のない鮮明な像を有することができる。図５に示すよう
に、二次ビームは、カソードレンズ２９によって集束作
用を受ける。カソードレンズ２９は、通常、２〜４枚の
電極で構成されている。ここでは、３枚の電極（２９
ａ、２９ｂ、２９ｃ）の構成例を示す。通常、レンズと
して機能させるには、カソードレンズ２９の下から１番
目の電極２９ａ、２番目の電極２９ｂに電圧を印加し、
３番目の電極２９ｃをゼロ電位に設定することで行う。

【００３９】ステージ２７には電圧（リターディング電
圧）が印加されており、電極２９ａ−試料面間には、一
次ビームに対しては負の電界、二次ビームに対しては正
の電界が形成されている。

【００４０】リターディング電圧によって、カソードレ
ンズ２９は、一次ビームに対しては、減速させて試料の
チャージアップや破壊を防ぎ、二次ビームに対しては、
電子（特に、指向性の低い二次電子）を引き込み、加速
させて、効率よくレンズ内に導くように作用する。カソ
ードレンズ２９およびニューメニカルアパーチャ３０を
通過した二次ビームは、ウィーンフィルタ３１の偏向作
用を受けずに、そのまま直進する。このとき、ウィーン
フィルタ３１に印加する電磁界を変えることで、二次ビ
ームから、特定のエネルギー帯を持つ電子（例えば二次
電子、または反射電子）のみを検出器３６に導くことが
できる。

【００４１】また、ニューメニカルアパーチャ３０は、
二次ビームに対しては、後段の第２レンズ３２〜第４レ
ンズ３５のレンズ収差を抑える役割を果たしている。と
ころで、二次ビームを、カソードレンズ２９のみで結像
させると、レンズ作用が強くなり収差が発生しやすい。
そこで、第２レンズ３２と合わせて、１回の結像を行わ
せる。二次ビームは、カソードレンズ２９および第２レ
ンズ３２により、フィールドアパーチャ３３上で中間結
像を得る。

【００４２】また、後段には中間像を投影するためのレ
ンズが配置されるが、二次光学系として必要な投影倍率
を確保するため、第３レンズ３４、第４レンズ３５の２
つのレンズを加えた構成にする。二次ビームは、第３レ
ンズ３４、第４レンズ３５各々により結像し、ここで
は、合計３回結像する。なお、第３レンズ３４と第４レ
ンズ３５とを合わせて１回（合計２回）結像させてもよ
い。

【００４３】第２レンズ３２〜第４レンズ３５はすべ
て、ユニポテンシャルレンズまたはアインツェルレンズ
と呼ばれる回転軸対称型のレンズであり、各レンズは、
３枚の電極で構成されている。通常は外側の２電極をゼ
ロ電位とし、中央の電極に印加する電圧を変えることで
レンズ作用を制御する。また、中間の結像点には、フィ
ールドアパーチャ３３が配置されているが、このフィー
ルドアパーチャ３３は光学顕微鏡の視野絞りと同様に、
視野を必要範囲に制限している。特に電子ビームの場
合、余計なビームを、後段の第３レンズ３４および第４
レンズ３５と共に遮断して、検出器３６のチャージアッ
プやコンタミネーションを防いでいる。

【００４４】二次ビームは、第３レンズ３４と第４レン
ズ３５とによって集束発散を繰り返し、検出器３６の検
出面で再結像し、ビーム照射領域の像が検出面に投影さ
れる。なお、偏向器３６ａは、ステージ２７に振動等が
生じると、検出面に投影される像の位置がずれるため、
それを補正するための偏向器である。図２に示すよう
に、二次ビームは、検出器３６内部のＭＣＰ５０に入射
し、ＭＣＰ５０を通過する際に加速増幅されて、蛍光板
５１に衝突する。蛍光板５１では、二次ビームを光に変
換し、投影される電子像を光学像に変換する。

【００４５】光学像は、真空室と大気室とを遮断するビ
ューポート５２を通過し、リレーレンズ５３を介して、
二次元ＣＣＤセンサ５４またはＴＤＩアレイＣＣＤセン
サ５５の何れか一方のセンサの撮像面に投影され、撮像
される。なお、二次元ＣＣＤセンサ５４またはＴＤＩア
レイＣＣＤセンサ５５に投影される像の焦点合わせは、
二次光学系の焦点距離を変えることで行う。このとき、
２つのセンサの撮像面は、試料に対して共役な位置にあ
るため、何れかのセンサに焦点を合わせるだけでよい。

【００４６】光学像は、選択されたＣＣＤセンサにより
光電変換され、ＣＣＤ走査回路４３による駆動パルスに
応じて、信号電荷が読み出される。画像処理ユニット３
７は、信号電荷をＡ／Ｄ変換し試料画像を作成し、ＣＲ
Ｔ３８は試料画像を表示する。このように本発明の観察
装置では、試料面上に電子ビームを照射し、ビーム照射
領域の像を検出器３６の検出面に投影して一括して試料
画像を取得することができる。

【００４７】ところで、本実施形態の観察装置は、まず
試料（ウエハ）をＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５によっ
て撮像し、次に撮像された試料画像から欠陥箇所を検出
し、その箇所を二次元ＣＣＤセンサ５４によって撮像し
て観察する。しかしながら、前述したように、ＴＤＩア
レイＣＣＤセンサ５５で撮像する際に、二次光学系の歪
曲収差（ディストーション）によって投影像に歪みがあ
ると、その歪み部分が積算されてしまうため、試料画像
の鮮鋭度が低下した。

【００４８】そこで、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５の
撮像に使用する領域である積算段数を制限し、歪みの少
ない領域で撮像することで、ディストーションによる像
の鮮鋭度の低下を回避する。以下、この積算段数の算出
および歪み補正の動作について、図面を参照して詳細に
説明する。図６は、積算段数の算出および歪み補正の動
作を説明する流れ図である。また、図７は、ディストー
ションを説明する図である。

【００４９】ステージ２７上には、撮像倍率に応じた数
種類のフィディシャルマーク（テストパターン）が形成
されている。ここでは、図７（１）に示す格子パターン
に対して、電子ビームを照射し、所定の倍率で撮像す
る。このとき、ＣＣＤセンサは、二次元ＣＣＤセンサ５
４が選択されている（ステップＳ１）。このときの撮像
結果を図７（２）に示す。ここでは、二次光学系によっ
て糸巻き型の歪曲収差が発生している。

【００５０】次に、ＣＰＵ３９は、二次光学系における
ディストーション量を算出する。一般に、ディストーシ
ョンは、以下の（１）式で表される。Ｙ＝ｍ・ｙ−ｋ・ｙ³ ・・・（１）ただし、ｙは物体面における光軸から物点までの距離、
Ｙは撮像面における光軸から像点までの距離、ｍは像の
倍率、ｋは歪み係数を示す。

【００５１】ここで、(１)式は理想の式であるため、実
際には、より高次の項（例えばｙ⁵の項）を加えるよう
にしてもよい。ＣＰＵ３９は、二次元ＣＣＤセンサ５４
で撮像された格子パターンを画像処理ユニット３７を介
して読み込む。また、ＶＲＡＭ４５には、この格子パタ
ーンの歪曲収差のない理想パターンが予め格納されてい
るため、ＣＰＵ３９は、この理想パターンも同時に読み
込む。

【００５２】まず、ＣＰＵ３９は、撮像パターンと理想
パターンとのそれぞれに対応する点を抽出し、これら格
子点の座標データを算出する（ステップＳ２）。例え
ば、図７（１）の格子パターンに対して、いくつかの点
をサンプリングし、この座標データを求める。ここで
は、例としてＡＢＣＤの４点について考える。そして、
Ａ〜Ｄの各点に対応する点、図７（２）のＡ´〜Ｄ´を
サンプリングし、この座標データを算出する。

【００５３】図７（１）の中心Ｏから各点Ａ〜Ｄの距離
は、図７（３）におけるｙに対応し、図７（２）の中心
Ｏから各点Ａ´〜Ｄ´の距離は、図７（３）におけるＹ
に対応する。ＣＰＵ３９は、これら座標データから最小
二乗法により歪み係数ｋを算出する（ステップＳ３）。
次に、ＣＰＵ３９は、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５の
積算段数を設定する。

【００５４】図８（１）は、二次元ＣＣＤセンサ５４の
撮像面上におけるＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５の撮像
領域を示す図である。領域ＡＢＣＤは、ＴＤＩアレイＣ
ＣＤセンサ５５の撮像領域を示している。この領域ＡＢ
ＣＤには、二次光学系を介して像が投影されるため、デ
ィストーションによって像が歪んでしまう。そこで、Ｔ
ＤＩアレイＣＣＤセンサ５５の撮像領域のうち、像の歪
みの少ない領域を選出し、この領域を積算段数として設
定する。

【００５５】まず、ＣＰＵ３９は、（１）式に基づい
て、領域ＡＢＣＤに対して歪みを補正した領域ａｂｃｄ
を算出する（図８(２)）。具体的には、（１）式におい
て、Ｙ（Ａ〜Ｄの各点と中心Ｏとの距離）、像の倍率
ｍ、歪み係数ｋが既知であるため、ｙが算出される。次
に、（１）式において、ｋ＝０とすると、歪みが補正さ
れた（すなわち、歪曲収差がない）領域ａｂｃｄの各点
の座標データが算出される。

【００５６】このとき、Ｘ軸上の点Ｅ、Ｆを補正する
と、点ｅ、ｆの座標データが求められる。この２点を基
準にして、所定の歪み量の範囲を積算段数に設定する。
すなわち、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５で積算する際
に歪み量が大きいと、その部分が積算されてしまう。そ
こで、積算しても画質が低下しない範囲（所定のしきい
値thより小さな歪み量の範囲）を積算段数とする。

【００５７】ＣＰＵ３９は、図８（２）のＹ１、Ｙ２間
を積算段数として設定し（ステップＳ４）、ＴＤＩアレ
イＣＣＤセンサ５５は、この積算段数で撮像する。な
お、しきい値thは、１ピクセル未満が理想的であるが、
二次元ＣＣＤセンサ５４とＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５
５との対応誤差を考慮すると、２〜３ピクセルが妥当で
ある。具体的には、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５上の
１ピクセルが二次元ＣＣＤセンサ５４上の何ピクセルに
相当するかで決まる。

【００５８】例えば、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５上
の１ピクセルが、二次元ＣＣＤセンサ５４上の１ピクセ
ルに相当するとき、しきい値thは、２〜３ピクセルにな
る。また、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５上の１ピクセ
ルが二次元ＣＣＤセンサ５４上で２ピクセルに相当する
とき、しきい値thは、４〜６ピクセルになる。次に、Ｔ
ＤＩアレイＣＣＤセンサ５５を使用して、設定された積
算段数で撮像する動作（ステップＳ５）について説明す
る。

【００５９】図９に示すように、ＴＤＩアレイＣＣＤセ
ンサ５５は、例えば、５１２×２５６の画素数を有して
いる。ここでは、先程算出された積算段数は、ＲＯＷ７
９からＲＯＷ１７８までの１００段であると仮定する。
図１０に示すように、（Ｘ１,Ｙ１）から（Ｘ５１２,Ｙ
２５６）までの領域がチップ上に定められており、こ
の領域に電子ビームが照射され、照射領域の像がＴＤ
ＩアレイＣＣＤセンサ５５に投影されて撮像される。

【００６０】今、領域の（Ｘ１,Ｙ１）から（Ｘ５１
２,Ｙ１）に一次ビームが照射されているとする。この
とき、この１ラインの像がＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５
５に投影され、撮像される。信号電荷は、図９に示すＴ
ＤＩアレイＣＣＤセンサ５５のＲＯＷ７９に蓄積され
る。次に、ＣＰＵ３９はステージ駆動機構４２に駆動制
御信号を出力し、ステージ駆動機構４２はステージ２７
をＹ方向に駆動する。すると、ビーム照射領域がＴＤＩ
アレイＣＣＤセンサ５５の一水平走査ライン分だけ走査
方向に移動する。それと同時に、レーザ干渉計ユニット
４４は、垂直クロック信号をＣＣＤ走査回路４３に送出
する。

【００６１】ＣＣＤ走査回路４３は、垂直クロック信号
が入力されると、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５に転送
パルスを送出する。ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５は、
転送パルスに同期して、ＲＯＷ７９に蓄積されていた信
号電荷をＲＯＷ８０に転送する。このとき、ＲＯＷ８０
には、（Ｘ１,Ｙ１）から（Ｘ５１２,Ｙ１）までの像が
撮像され、既に信号電荷が蓄積されているため、ＲＯＷ
７９から転送されてきた信号電荷が加算されて蓄積され
ることになる。また、このとき、ＲＯＷ７９では、（Ｘ
１,Ｙ２）から（Ｘ５１２,Ｙ２）までの像が撮像され、
新たに信号電荷が蓄積される。

【００６２】さらに、ステージ２７が一水平走査ライン
分駆動すると、ＲＯＷ８１には、（Ｘ１,Ｙ１）から
（Ｘ５１２,Ｙ１）までの像が撮像されて信号電荷が蓄
積される。ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５に転送パルス
が入力されると、ＲＯＷ８１には、ＲＯＷ８０から転送
されてきた信号電荷が加算されて蓄積される。また、Ｒ
ＯＷ８０には、（Ｘ１,Ｙ２）から（Ｘ５１２,Ｙ２）ま
での像が撮像され、既に信号電荷が蓄積されているが、
前述の転送パルスが入力されると、ＲＯＷ７９から転送
されてきた信号電荷が加算されて蓄積される。

【００６３】また、ＲＯＷ７９では、（Ｘ１,Ｙ３）か
ら（Ｘ５１２,Ｙ３）までの像が撮像され、新たに信号
電荷が蓄積される。このようにステージ２７がＹ方向に
順次駆動することによって、ビーム照射領域が領域を
走査し、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５は、ステージ２
７の駆動に応じて、蓄積する信号電荷を隣接するＲＯＷ
へ順次転送する。この動作が繰り返され、領域の（Ｘ
１,Ｙ２５６）から（Ｘ５１２,Ｙ２５６）までの像が撮
像されて、その信号電荷がＲＯＷ７９に蓄積されると
き、（Ｘ１,Ｙ１）から（Ｘ５１２,Ｙ１）までの信号電
荷は、水平走査ライン１００本分加算累積されて、ＲＯ
Ｗ１７８に蓄積される。

【００６４】この状態で、ＣＣＤ走査回路４３は、ＴＤ
ＩアレイＣＣＤセンサ５５に読み出しパルスを送出する
と、ＲＯＷ１７８に蓄積されている信号電荷は、転送ゲ
ート（不図示）を介して、ＣＣＤシフトレジスタに転送
され、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５から一水平走査ラ
インずつ取り出されて、画像処理ユニット３７に転送さ
れる。

【００６５】画像処理ユニット３７は、順次転送されて
くる信号電荷を、Ａ／Ｄ変換して、後述の水平方向の歪
み補正の処理をして、ＶＲＡＭ４５に格納し、領域の
画像を生成する。以下、同様にステージ２７を移動させ
ながら、領域、領域・・・についてもＴＤＩアレイ
ＣＣＤセンサ５５によって撮像を行い、チップ全面を撮
像する。

【００６６】このようにＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５
では、ステージ２７の移動に合わせて信号電荷をシフト
させて撮像するため、ステージ２７の移動と撮像動作と
を並行して実行することができ、チップ全面を極めて短
時間に撮像することができる。ところで、ＴＤＩアレイ
ＣＣＤセンサ５５から１ラインずつ取り出される画像に
は、水平方向の歪みが存在する。

【００６７】例えば、図１１（１）に示す試料を撮像し
た場合、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５の撮像面には、
図１１（２）に示すように歪んだ試料像が投影される。
そこで、点Ａを基準にして、撮像面上の歪みの少ない領
域を、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５の積算段数に設定
する。しかし、図１１（３）に示すように、もともと点
Ａは、水平方向に歪んだ位置にあるため、ＴＤＩアレイ
ＣＣＤセンサ５５で撮像される画像には、水平方向の歪
みが残留している。特に、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５
５は、水平方向に画素数が多いため、水平方向の歪み量
は大きい。

【００６８】そこで、画像処理ユニット３７において、
この水平方向の歪みを補正する（ステップＳ６）。画像
処理ユニット３７内部には、入力用ラインバッファ５６
と出力用ラインバッファ５７とが設けられている。ＴＤ
ＩアレイＣＣＤセンサ５５から１ライン分の画素データ
が入力用ラインバッファ５６に格納され、（１）式に基
づいて歪みが補正される。そして、補正された画素デー
タは、出力用ラインバッファ５７に格納される。

【００６９】Ａ_nを入力用ラインバッファ５６の各セ
ル、Ｂ_jを出力用ラインバッファ５７の各セル、Ｃ_jnを
補正係数とすると、Ｂ_j＝ｆ(Ｃ_j1・Ａ₁＋Ｃ_j2・Ａ₂＋Ｃ_j3・Ａ₃＋・・・＋Ｃ_jn・Ａ_n)・・（２）の式に従って補正する。ただし、ｆはシグモイド関数で
ある。なお、このしきい値関数は、例えばガウス関数の
ような微分可能な関数であれば、シグモイド関数に限定
されるものではない。

【００７０】この歪み補正を具体的に説明する。歪み補
正は、例えば、図１１（３）の点Ａの画素を点Ａ´の位
置に再配置することで行われる。まず、（１）式におい
て、Ｙ（図（３）のＡＯ間）、像の倍率ｍ、歪み係数ｋ
が既知であるため、ｙ（図（１）のａｏ間）が求まる。
次に、（１）式においてｋ＝０とすると、歪曲収差のな
い点Ａ´の位置が求まり、点Ａの画素を点Ａ´に配置す
ることで、水平方向の歪みが補正される。

【００７１】この処理を図１１（４）で考えると、前述
の処理により、入力用ラインバッファ５６のＡ１〜Ａｎ
が、出力用ラインバッファ５７のＢ１〜Ｂｊの何れかに
対応しているかが算出される。例えば、Ａ１がＢ３に１
対１で対応している場合には、補正係数Ｃ31の値を１に
し、Ｃ32〜Ｃ3nの値を０にし、Ｂ３にＡ１の画素データ
を格納する。

【００７２】このように入力用ラインバッファ５６のＡ
１〜Ａｎに格納される各画素データを、補正係数Ｃ_jnに
よる重みを付けて出力用ラインバッファ５７のＢ１〜Ｂ
ｊの各セルに格納することで、出力用ラインバッファ５
７には、水平方向の歪みが補正された１ライン分の画像
データが生成される。ところで、補正係数が（１）式か
ら求められたモデルのままであるとは限らず、実際の撮
像時には、ディストーションが理論からずれてしまう場
合もある。この場合には、補正係数を一般的なヘブ学習
則に従って変更し、実際の状態に適応させる。これは次
のようにして実現する。

【００７３】なお、図１１（４）は、入力出力間の関数
ｆの適用が一段であるが、適用を多段化することによ
り、精度の向上が可能なのは云うまでもない。ＴＤＩア
レイＣＣＤセンサ５５で試料を撮像する前に、フィディ
シャルマークを撮像し、歪みが補正されて出力用ライン
バッファ５７に格納される画素データと、教師信号であ
る予め用意された画素データとを比較し、これら２つの
信号の二乗誤差を算出する。そして、この二乗誤差が最
小となるように補正係数の修正を続け、二乗誤差が規定
値になるとき、その学習を終了する。

【００７４】この学習後の補正係数を用いると、ディス
トーションによる像の歪みの補正だけでなく、ＴＤＩア
レイＣＣＤセンサ５５の受光感度のばらつきによって生
じる輝度むらの補正も行うことが可能になる。以上、Ｔ
ＤＩアレイＣＣＤセンサ５５によって、チップ全面の画
像の取得が完了すると、画像処理ユニット３７は、各領
域の画像と、設計データとに基づいて予め作成されたテ
ンプレート画像とを比較して欠陥箇所を特定する。

【００７５】具体的には、画像処理ユニット３７は、取
得画像に対して、エッジ保存平滑化フィルタによるノイ
ズの低減を行った後、テンプレート画像と各領域の画像
とについて、対応する画素出力同士の差分二乗を求め、
その値が所定のしきい値を超えたか否かを判別し、超え
た箇所については欠陥箇所であると判断する。欠陥箇所
の観察は、この箇所に電子ビームを照射し、欠陥箇所の
像を二次光学系を介して、検出器３６の検出面に投影さ
せ、この像を二次元ＣＣＤセンサ５４によって撮像する
ことで行われる。

【００７６】（本実施形態の効果）このように本実施形
態の電子ビームによる観察装置では、カソードレンズ２
９、第２レンズ３２〜第４レンズ３５の歪曲収差によっ
て試料像に歪みが発生しても、その歪み量に応じてＴＤ
ＩアレイＣＣＤセンサ５５の積算段数を設定する（具体
的には、歪み量が大きい場合には積算段数を少なくし、
歪み量が小さい場合には積算段数を多くする）ことがで
きるため、歪み部分が積算されることが無く、鮮明な画
像を観察することができる。

【００７７】また、ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５から
取り出される試料画像には、水平方向の歪みが残留して
いるが、画像処理ユニット３７において、この歪みを補
正するため、歪みのない均質な画像を観察することがで
きる。なお、本実施形態のビームは、電子ビームに限定
されるものではなく、ビームは、可視光、赤外光であっ
ても構わない。また、このとき、写像光学系は、通常の
光学レンズを使用することになる。

【００７８】また、本実施形態では、ＴＤＩアレイＣＣ
Ｄセンサ５５の出力を、ラインバッファに格納して水平
方向の歪みの補正を行ったが、それに限定されず、フレ
ームバッファに格納して、水平、垂直方向双方の歪みの
補正を行ってもよい。また、二次光学系に磁界レンズを
使用した場合には、歪曲収差によってＳ字歪みが発生す
るが、この場合においても本発明を適用することは可能
である。

【００７９】また、検出器３６の構成は、図１２に示す
ように、ミラー６０、６１を用いて、二次元ＣＣＤセン
サ５４とＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５５とを選択的に切
り替える構成でもよい。なお、本実施形態として一次光
学系と二次光学系とをウイーンフィルタで接合した例を
挙げたが、独立に構成したものについても本発明を適用
できることは云うまでもない。

【００８０】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載の
観察装置では、算出された像の歪み量に基づいて、アレ
イ撮像手段の積算可能なライン数を設定することができ
る。したがって、アレイ撮像手段で撮像する際に、像の
歪み部分が積算されることがないため、鮮明な画像を観
察することができる。

【００８１】請求項２に記載の観察装置では、アレイ撮
像手段から取り出される試料画像には、ライン長手方向
の歪みが残留してしまうが、本発明では、この歪みを補
正することができるため、歪みのない、均質な画像を観
察することができる。請求項３に記載の観察装置では、
アレイ撮像手段と二次元撮像手段との撮像面が、共役な
位置に配置される。したがって、例えば、１つの焦点調
節部でアレイ撮像手段と二次元撮像手段との２つの撮像
面に焦点を合わせることができ、アレイ撮像手段用の焦
点調節部と、二次元撮像手段用の焦点調節部とを別個に
設ける必要がなく、簡易な構成の観察装置を実現するこ
とができる。

【００８２】請求項４に記載の観察装置の調整方法で
は、写像光学系の歪曲収差による像の歪み量を算出し、
その歪み量に基づいて、アレイ撮像手段の撮像面上の撮
像領域（積算可能なライン数）を設定する。したがっ
て、オペレータは、アレイ撮像手段で撮像する際に、事
前に、画像の鮮鋭度が低下することなく正常に撮像でき
るか否かの調整を行うことができる。

【００８３】このように本発明を適用した観察装置で
は、アレイ撮像手段（いわゆる、ＴＤＩＣＣＤセンサ）
で撮像する際に、積算段数を制限することで、写像光学
系の歪曲収差に起因する像鮮鋭度の低下を回避し、鮮明
な画像を観察することができる。したがって、信頼性の
高い欠陥箇所の検出および観察を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態の全体構成図である。

【図２】検出器の構成を示す図である。

【図３】一次ビームの軌道を示す図である。

【図４】一次光学系の構成図である。

【図５】二次ビームの軌道を示す図である。

【図６】積算段数の算出および歪み補正の動作を説明す
る流れ図である。

【図７】ディストーションを説明する図である。

【図８】積算段数の設定を説明する図である。

【図９】ＴＤＩアレイＣＣＤセンサの構成ブロック図で
ある。

【図１０】ＴＤＩアレイＣＣＤセンサの動作を説明する
図である。

【図１１】水平方向の歪みの補正を説明する図である。

【図１２】別の検出器の構成例である。

【図１３】電子顕微鏡の構成図である。

【図１４】ＴＤＩＣＣＤセンサの撮像動作を説明する図
である。

【図１５】歪曲収差を説明する図である。

【図１６】解決する課題を説明する図である。

【符号の説明】

２１一次コラム２２二次コラム２３チャンバー２４電子銃２５一次光学系２６偏向器２７ステージ２８試料２９カソードレンズ３０ニューメニカルアパーチャ３１ウィーンフィルタ３２第２レンズ３３フィールドアパーチャ３４第３レンズ３５第４レンズ３６検出器３６ａ偏向器３７画像処理ユニット３８ＣＲＴ３９ＣＰＵ４０一次コラム制御ユニット４１二次コラム制御ユニット４２ステージ駆動機構４３ＣＣＤ走査回路４４レーザ干渉計ユニット５０ＭＣＰ５１蛍光板５２ビューポート５３リレーレンズ５４二次元ＣＣＤセンサ５５ＴＤＩアレイＣＣＤセンサ５６入力用ラインバッファ５７出力用ラインバッファ６０、６１ミラー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料が載置され、移動可能なステージ
と、前記試料にビームを照射し、該試料の照射領域から発生
する二次ビームを検出して前記照射領域の画像を生成す
る検出手段と、前記ステージと前記検出手段との間に配置され、前記二
次ビームを前記検出手段の検出面に結像させる写像光学
系と、前記検出面に、複数ライン状に二次元配列された画素を
有し、前記検出面に形成された光学像の受光によって生
じる各ラインの画素の電荷を、前記光学像の移動のタイ
ミングに合わせて、順次隣接するラインの対応画素へそ
れぞれ転送し、転送毎に、該電荷と該電荷が転送された
画素から生じる電荷とを加算し、終端に相当するライン
までの所定のライン数積算した電荷を、順次出力するア
レイ撮像手段と、前記写像光学系を介して、予め用意されたパターンを撮
像する二次元撮像手段と、前記二次元撮像手段により撮像された前記パターンの像
を用いて、前記写像光学系の像の歪み量を算出する歪み
量算出手段と、前記像の歪み量に基づいて、前記所定のライン数を設定
する設定手段とを備えたことを特徴とする観察装置。
【請求項２】請求項１に記載の観察装置において、前記アレイ撮像手段から取り出される前記試料の画像に
ついて、前記歪み量算出手段により算出された歪み量に
基づいて、前記ラインの長手方向の歪みを補正する補正
手段を備えたことを特徴とする観察装置。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の観察装
置において、前記試料に対して、前記アレイ撮像手段と前記二次元撮
像手段との撮像面が共役な位置に配置されることを特徴
とする観察装置。
【請求項４】移動可能なステージ上に載置される試料
を観察する観察装置の調整方法において、写像光学系を介して、予め用意されたパターンを二次元
撮像手段により撮像する工程と、前記二次元撮像手段により撮像された前記パターンの像
に基づいて、前記写像光学系の像の歪み量を算出する工
程と、複数ライン状に二次元配列された画素を有するアレイ撮
像手段の撮像面上の撮像領域を、前記像の歪み量に基づ
いて設定し、前記写像光学系を介して、前記撮像領域内
に投影される前記試料の光学像を受光する際に、各ライ
ンの画素から生じる電荷を、前記光学像の移動のタイミ
ングに合わせて、順次隣接するラインの対応画素へそれ
ぞれ転送し、転送毎に、該電荷と該電荷が転送された画
素から生じる電荷とを加算し、前記撮像領域内の終端に
相当するラインまでの所定のライン数積算した電荷を、
順次出力する工程とを有することを特徴とする観察装置
の調整方法。